CN114189133A - 电源转换器的控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换器的控制电路，包括感测电路、斜坡信号产生器、误差放大器、比较器及脉宽调变电路。感测电路耦接第一输出电路，以提供电流感测信号。斜坡信号产生器耦接感测电路且接收电流感测信号，以提供斜坡信号。误差放大器接收参考电压与电源转换器的输出回授电压，以提供误差放大信号。比较器耦接斜坡信号产生器与误差放大器且接收斜坡信号与误差放大信号，以提供控制信号。脉宽调变电路耦接于比较器与第一输出电路之间，接收控制信号并提供脉宽调变信号，以控制第一输出电路。斜坡信号产生器根据电流感测信号调整斜坡信号的斜率。本发明能避免电源转换器的输出电压在抽载/卸载之后出现振铃现象，以提升***输出的稳定性。

Description

电源转换器的控制电路
技术领域
本发明与电源转换器有关，尤其是关于一种电源转换器的控制电路。
背景技术
于传统的电源转换电路中，输出电容会串接于输出端与接地端之间，电源转换电路利用输出电容的电容值及其等效串联电阻(Equivalent series resistor,ESR)进行回授控制。当使用具有较小寄生电阻的电容元件(例如陶瓷电容)作为输出电容时，由于电源转换电路的回授控制仅受到输出电容影响，导致输出电压的涟波(Ripple)与脉宽调变信号之间产生相位差(Phase difference)，因而影响***的稳定性。
举例而言，如图1所示，当输出电容的等效串联电阻(以下简称输出电阻)的阻值较小时，电源转换电路的输出电压VOUT在抽载/卸载之后发生多次上下振荡偏离参考电压VEAP的振铃(Ringing)现象，连带导致电源转换电路的电感电流IL亦变得不稳定，严重影响***的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电源转换器的控制电路，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。
本发明提供一种电源转换器的控制电路，包括感测电路、斜坡信号产生器、误差放大器、比较器及脉宽调变电路。感测电路耦接第一输出电路，以提供电流感测信号。斜坡信号产生器耦接感测电路且接收电流感测信号，以提供斜坡信号。误差放大器接收参考电压与电源转换器的输出回授电压，以提供误差放大信号。比较器耦接斜坡信号产生器与误差放大器且根据斜坡信号与补偿信号提供控制信号。脉宽调变电路耦接于比较器与第一输出电路之间，接收控制信号并提供脉宽调变信号，以控制第一输出电路。斜坡信号产生器根据电流感测信号调整斜坡信号的斜率。
于一实施例中，斜坡信号产生器根据预设电流及电流感测信号产生斜坡信号的下降部分。
于一实施例中，感测电路包括电流镜。电流镜根据第一输出电路中的电感电流产生电流感测信号，且上述电流感测信号与电感电流之间具有比例关系。
于一实施例中，斜坡信号产生器包括电容及电流源。电容的一端耦接至感测电路与比较器之间且其另一端耦接至接地端。电流源的一端耦接至感测电路与比较器之间且其另一端耦接至接地端。
于一实施例中，斜坡信号产生器还包括开关及电压源。开关的一端耦接电容与电流源且其另一端耦接电压源。电压源耦接于开关与接地端之间。开关受控于控制信号而选择性地导通。
于一实施例中，当电流感测信号愈大，斜坡信号经调整后的斜率愈缓。
于一实施例中，控制电路还耦接第二输出电路。感测电路包括电流镜。电流镜根据第一输出电路中的第一电感电流与第二输出电路中的第二电感电流产生电流感测信号，且电流感测信号与第一电感电流与第二电感电流之间具有比例关系。
相较于现有技术，本发明提出的电源转换器的控制电路根据其感测到的电源转换器的输出电流(电感电流)调整斜坡信号的下降斜率，因此，即使在输出电阻较小的情况下，本发明的电源转换器的控制电路亦能有效避免电源转换器的输出电压在抽载/卸载之后出现振铃(Ringing)现象，使得电源转换器的输出电流维持稳定，故能有效提升***输出的稳定性。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1为传统的RCOT电源转换电路在小的输出电阻时的暂态响应波形图。
图2为本发明的一具体实施例中的电源转换器的控制电路的示意图。
图3及图4分别为本发明的控制电路应用于单相(Single-phase)及双相(Two-phase)的电源转换器的不同实施例。
图5为本发明的电源转换器在小的输出电阻时的暂态响应波形图。
主要元件符号说明：
2、3、4：控制电路
20、30、40：误差放大器
21、31、41：补偿电路
22、32、42：斜坡信号产生器
23、33、43：比较器
24、34、44：脉宽调变电路
25、35、45：感测电路
OS：输出级
R1～R2：分压电阻
ROUT：输出電阻
COUT：输出电容
M1～M2：开关
L：输出电感
D1～D2：驱动器
VIN：输入电压
VOUT：输出电压
VFB：输出回授电压
VEAP：参考电压
ERR：误差放大信号
RAMP：斜坡信号
COMP：补偿信号
TRIG：控制信号
PWM：脉宽调变信号
IL：电感电流
IL*K：电流感测信号
ISEN：电流指示信号
GND：接地端
t0～t2：时间
CSP/CSN：感测信号
IOUT：输出电流
R：电阻
C：电容
SW：开关
VB：电压源
INO：电流源
350：放大器
351～353：电流镜
1:1：比例
1:K：比例
OS1～OS2：输出级
CSP1/CSN1、CSP2/CSN2：感测信号
PWM1～PWM2：脉宽调变信号
450、452：放大器
451、453～455：电流镜
IL1～IL2：电感电流
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在图式及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
根据本发明的一具体实施例为一种电源转换器的控制电路。于此实施例中，控制电路可应用于单相(Single-phase)或多相(Multi-phase)的电源转换器，端视实际需求而定。
请参照图2。图2为此实施例中的电源转换器的控制电路的示意图。如图2所示，控制电路2应用于具有单一个输出电路OS的单相电源转换器。控制电路2耦接输出电路OS。分压电阻R1与R2串接于输出电路OS与接地端GND之间。输出电容COUT与输出电阻ROUT亦串接于输出电路OS与接地端GND之间。
输出电路OS包括驱动器D1～D2、开关M1～M2及输出电感L。驱动器D1耦接于控制电路2与开关M1的控制端之间。驱动器D2耦接于控制电路2与开关M2的控制端之间。开关M1与M2串接于输入电压VIN与接地端GND之间。输出电感L的一端耦接至开关M1与M2之间且输出电感L的另一端耦接至输出电阻ROUT及分压电阻R1。
控制电路2包括误差放大器20、补偿电路21、斜坡信号产生器22、比较器23、脉宽调变电路24及感测电路25。误差放大器20的一输入端耦接至分压电阻R1及R2之间且其另一输入端耦接参考电压VEAP。误差放大器20的输出端耦接补偿电路21。补偿电路21耦接至比较器23的一输入端。比较器23的另一输入端耦接至斜坡信号产生器22。比较器23的输出端分别耦接脉宽调变电路24及斜坡信号产生器22。感测电路25耦接于斜坡信号产生器22与输出电路OS之间。
误差放大器20的两输入端分别接收参考电压VEAP与电源转换器的输出回授电压VFB，以提供误差放大信号ERR传送至补偿电路21。补偿电路21耦接误差放大器20与比较器23，接收误差放大信号ERR以提供补偿信号COMP。误差放大器20的一输入端所接收的输出回授电压VFB为分压电阻R1与R2之间的电压，亦即电源转换器的输出电压VOUT的分压，但不以此为限。
感测电路25自输出电路OS接收电流指示信号ISEN并据以提供电流感测信号IL*K至斜坡信号产生器22。于实际应用中，电流指示信号ISEN与输出电路OS中的输出电感L的电感电流IL有关且电流感测信号IL*K与电感电流IL之间具有比例关系，例如电流感测信号IL*K为电感电流IL的K倍，但不以此为限。
当斜坡信号产生器22接收到电流感测信号IL*K时，斜坡信号产生器22根据电流感测信号IL*K改变斜坡信号RAMP至比较器23。于实际应用中，斜坡信号产生器22会根据电流感测信号IL*K调整其产生的斜坡信号RAMP的斜率，例如斜坡信号产生器22可根据电流感测信号IL*K降低斜坡信号RAMP的下降部分的斜率。因此，当电流感测信号IL*K愈大时，斜坡信号RAMP的下降部分的斜率愈小，使得斜坡信号RAMP下降速度愈缓。
当比较器23的两输入端分别接收到斜坡信号RAMP与补偿信号COMP时，比较器23会比较斜坡信号RAMP与补偿信号COMP并根据比较结果产生控制信号TRIG至脉宽调变电路24及斜坡信号产生器22。
当脉宽调变电路24接收到控制信号TRIG时，脉宽调变电路24会根据控制信号TRIG产生脉宽调变信号PWM至输出电路OS，以控制输出电路OS的运作。详细而言，当输出电路OS中的驱动器D1及D2接收到脉宽调变信号PWM时，驱动器D1及D2分别根据脉宽调变信号PWM控制开关M1及M2的开启或关闭，以于输出电感L形成电感电流IL并产生输出电压VOUT。
接着，请参照图3。图3为本发明的控制电路应用于单相(Single-phase)的电源转换器的实施例。
如图3所示，控制电路3应用于具有单一个输出电路OS的单相电源转换器。控制电路3耦接输出电路OS。分压电阻R1与R2串接于输出电路OS与接地端GND之间。输出电阻ROUT与输出电容COUT亦串接于输出电路OS与接地端GND之间。
控制电路3包括误差放大器30、补偿电路31、斜坡信号产生器32、比较器33、脉宽调变电路34及感测电路35。误差放大器30的一输入端耦接至分压电阻R1与R2之间且其另一输入端耦接参考电压VEAP。误差放大器30可为一转导放大器(trans-impedance amplifier)，其输出的误差信号为电流形式。补偿电路31耦接误差放大器30的输出端与比较器33的一输入端。比较器33的另一输入端耦接斜坡信号产生器32且其输出端分别耦接脉宽调变电路34及斜坡信号产生器32。斜坡信号产生器32耦接感测电路35。脉宽调变电路34耦接输出电路OS。感测电路35耦接输出电路OS。
补偿电路31包括电阻R及电容C，接收误差放大器30的误差输出信号ERR并提供循环控制所需要的零点与极点补偿，并产生电压补偿讯号COMP，但不以此为限。
感测电路35包括放大器350及电流镜351～353。接收与输出电路OS的输出电流IOUT有关的电流指示信号，于此实施例中电流指示信号为一组电压形式的感测信号CSP/CSN。放大器350的两输入端接收感测信号CSP/CSN并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜351产生电感电流IL至电流镜352。接着，具有1:K比例的电流镜352根据电感电流IL产生电流感测信号IL*K至电流镜353，再由具有1:1比例的电流镜353输出电流感测信号IL*K至斜坡信号产生器32。换言之，感测电路35所提供的电流感测信号IL*K与输出电路OS中的电感电流IL之间具有比例关系，例如1:K，但不以此为限。
斜坡信号产生器32包括电压源VB、开关SW、电容C及电流源INO。电压源VB耦接于开关SW与接地端GND之间。电容C耦接于开关SW与接地端GND之间。电流源INO耦接于开关SW与接地端GND之间。感测电路35耦接至开关SW与电容C之间以及开关SW与电流源INO之间。比较器33的另一输入端亦耦接至开关SW与电容C之间以及开关SW与电流源INO之间。
当斜坡信号产生器32接收到比较器33所输出的控制信号TRIG时，斜坡信号产生器32中的开关SW响应于控制信号TRIG的上升缘而短暂地导通，藉以将斜坡信号RAMP拉至顶点电压VB。当开关SW断开时，电流源INO所提供的预设电流对电容C抽电流，且感测电路35所提供的电流感测信号IL*K对电容C灌电流，藉以产生斜坡信号RAMP的下降部分，以提供至比较器33的另一输入端。
需说明的是，当外部抽载增加而使得电流感测信号IL*K愈大时，比较器33的另一输入端所接收到的斜坡信号RAMP的下降部分的斜率愈小，亦即经调整后的斜坡信号RAMP的下降斜率愈缓。
接着，请参照图4。图4为本发明的控制电路应用于双相(Two-phase)的电源转换器的实施例。
如图4所示，控制电路4应用于具有两个输出电路OS1及OS2的双相电源转换器。控制电路4分别耦接输出电路OS1～OS2。分压电阻R1与R2串接于输出电路OS1～OS2与接地端GND之间。输出电阻ROUT与输出电容COUT亦串接于输出电路OS1～OS2与接地端GND之间。
控制电路4包括误差放大器40、补偿电路41、斜坡信号产生器42、比较器43、脉宽调变电路44及感测电路45。与控制电路3的相应元件相同，于此不另行赘述。
于此实施例中，脉宽调变电路44根据控制信号TRIG分别产生脉宽调变信号PWM1～PWM2至输出电路OS1～OS2，以分别控制输出电路OS1～OS2的运作。感测电路45包括放大器450、452及电流镜451、453～455。
放大器450的两输入端接收与输出电路OS1的输出电流有关的感测信号CSP1/CSN1并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜451产生输出电路OS1的电感电流IL1至电流镜452。同理，放大器452的两输入端接收与输出电路OS2的输出电流有关的感测信号CSP2/CSN2并输出比较结果控制具有1:1比例的电流镜453产生输出电路OS2的电感电流IL2至电流镜452。
当电流镜454接收到电感电流IL1与电感电流IL2加总后的电感电流IL时，具有1:K比例的电流镜454根据加总后的电感电流IL产生电流感测信号IL*K至电流镜455，再由具有1:1比例的电流镜455输出电流感测信号IL*K至斜坡信号产生器42。换言之，感测电路45所提供的电流感测信号IL*K与各相输出电路OS1～OS2的总和电感电流IL之间具有比例关系，例如1:K，但不以此为限。
于实际应用中，本发明的控制电路还可依此类推进一步应用于多相(Multi-phase)的电源转换器，并不以前述的单相及双相的电源转换器为限。
接着，请参照图5。图5为本发明的电源转换器在输出电阻较小时的暂态响应波形图。假设本发明的电源转换器与图1中的传统的电源转换器的输出电阻具有相同阻值以及补偿电路具有相同设定值。
相较于图1中的传统的电源转换器的输出电压VOUT在时间t1抽载开始以及时间t2卸载开始之后均发生多次在参考电压VEAP上下振荡的振铃(Ringing)现象而导致电感电流IL变得不稳定，图5于时间t1时因电感电流IL随抽载而上升，使得斜坡信号RAMP下降斜率变缓，造成补偿信号COMP与斜坡信号RAMP交会时机延后，脉宽调变信号PWM产生时间也随之延后，使得输出电压VOUT爬升速度较慢，因此补偿信号COMP下降速度变慢，呈现出在重载稳态时，补偿信号COMP与斜坡信号RAMP的交点被上移的现象。换句话说，在时间t1抽载开始斜坡信号RAMP的斜率根据电感电流IL被调缓，使得补偿信号COMP被随之抬高，补偿信号COMP维持于较高的新值。同理，在时间t2卸载开始，斜坡信号RAMP的斜率回到原值，使得补偿信号COMP降低回到原始值。因此，本发明的电源转换器的输出电压VOUT在抽载/卸载之后能够缓步上升/下降以趋近理想的参考电压VEAP，故能有效避免前述的振铃现象出现，以维持稳定的电感电流IL并提升***输出的稳定性。
相较于现有技术，本发明提出的电源转换器的控制电路根据其感测到的电源转换器的输出电流(电感电流)调整斜坡信号的下降斜率，因此，即使在输出电压较小的情况下，本发明的电源转换器的控制电路亦能有效避免电源转换器的输出电压在抽载/卸载之后出现振铃(Ringing)现象，使得电源转换器的输出电流维持稳定，故能有效提升***输出的稳定性。

Claims (7)

1.一种电源转换器的控制电路，耦接一第一输出电路，其特征在于，上述控制电路包括：
一感测电路，耦接上述第一输出电路，以提供一电流感测信号；
一斜坡信号产生器，耦接上述感测电路，且接收上述电流感测信号，以提供一斜坡信号；
一误差放大器，接收一参考电压与上述电源转换器的一输出回授电压，以提供一误差放大信号；
一比较器，分别耦接上述斜坡信号产生器与上述误差放大器，且根据上述斜坡信号与上述误差放大信号提供一控制信号；以及
一脉宽调变电路，耦接于上述比较器与上述第一输出电路之间，接收上述控制信号并提供一脉宽调变信号以控制上述第一输出电路，
其中，上述斜坡信号产生器根据上述电流感测信号调整上述斜坡信号的斜率。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述斜坡信号产生器根据一预设电流及上述电流感测信号产生上述斜坡信号的下降部分。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述感测电路包括一电流镜，上述电流镜根据上述第一输出电路中的一电感电流产生上述电流感测信号，且上述电流感测信号与上述电感电流之间具有一比例关系。
4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，上述斜坡信号产生器包括一电容及一电流源，上述电容的一端耦接至上述感测电路与上述比较器之间且其另一端耦接一接地端，上述电流源的一端耦接至上述感测电路与上述比较器之间且其另一端耦接上述接地端。
5.如权利要求4所述的控制电路，其特征在于，上述斜坡信号产生器还包括一开关及一电压源，上述开关的一端耦接上述电容与上述电流源且其另一端耦接上述电压源，上述电压源耦接于上述开关与上述接地端之间，上述开关受控于上述控制信号而选择性地导通。
6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，当上述电流感测信号愈大，上述斜坡信号经调整后的斜率愈缓。
7.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，还耦接一第二输出电路，上述感测电路包括一电流镜，上述电流镜根据上述第一输出电路中的一第一电感电流与上述第二输出电路中的一第二电感电流产生上述电流感测信号，且上述电流感测信号与上述第一电感电流与上述第二电感电流之间具有一比例关系。
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